一类具有零频隔振特征的零（微）重力悬浮方法及装置制造方法及图纸

一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法及装置，涉及太空中零重力或微重力环境模拟技术领域，解决了空间地面模拟与低频、超低频隔振等问题。该系列悬浮装置本质上均可视为由一个提供重力支撑的竖直弹簧与水平弹簧通过连杆与被悬浮物连接而成。其基本原理为通过弹簧连杆机构的几何非线性配置提供与重力大小相等、方向相反的支撑力，以实现在装置设计范围内作用在被悬浮物的合力为零，进而使被悬浮物体处于悬浮状态。该装置可以用于空间零微重力环境包括空间飞行器对接、大型空间柔性结构动力学性能测试与航天员训练等在内的地面模拟实验。利用该装置的悬浮特点可有效地解决低频、超低频的隔振问题，克服传统隔振理论难以避开系统共振的难题。

【技术实现步骤摘要】
一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法及装置
本专利技术提供一类零(微)重力悬浮装置，涉及包括空间航天器对接、大型柔性结构动力学性能测试及航天员训练等在内的一系列零(微)重力环境地面模拟实验以及低频、超低频(低至零频)隔振等领域。
技术介绍
国际上零(微)重力地面模拟实验方法主要有水浮、气浮和悬吊等。水浮法虽然可以模拟空间零(微)重力环境，但航天员必须穿着航天服，其设备需进行防水处理，因而造价昂贵。气浮法只能实现二维平动及一维转动，不能满足空间零(微)重力环境的要求。悬吊法具有结构复杂、占地空间大以及设备与悬吊系统存在耦合振动，同样无法实现零(微)重力环境。上述方法均可归结为一类本质为(其中为竖直方向加速度，为系统的固有频率，m与k分别为被悬浮物体质量与系统支撑刚度)的无量纲振动系统，无论固有频率ω0多么小，均难以实现空间零(微)重力环境的地面模拟。空间零(微)重力环境的地面模拟实验，实质上是将被模拟试件与基础环境的振动隔离问题，而传统方法仅当基础环境频率时才实现隔振，因而传统方法不能模拟空间零(微)重力环境；为减小线性系统固有频率ω0，近年来出现了一类准零刚度系统，其无量纲动力学方程可以归结为该系统仅当基础环境频率时才具有隔振性能，因而同样无法精确模拟零(微)重力环境。
技术实现思路
本专利技术的目的是构建一类基于几何非线性特征的一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法及装置，以解决低频、超低频(低至0频)隔振与空间零(微)重力环境的地面模拟等一类技术难题。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法，所述方法是构建一类具有零固有频率满足或的悬浮系统，基于该系统的低频、超低频低至零频的隔振性能，用以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟；其中|ε|＞0为一足够小可调常量，为竖直方向加速度；悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的；悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的。一类基于上述方法的具有全频段隔振特征的零(微)重力悬浮装置，所述装置包括竖直弹簧、连杆机构以及至少一个水平拉簧，被悬浮物体与竖直弹簧的上端连接，在连杆机构和至少一个水平拉簧的作用下，被悬浮物体沿竖直弹簧在垂直方向运动；利用所述装置几何非线性的负刚度特征与所述装置几何参数的可调性，经几何非线性参数配置实现在所述装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态；被悬浮物体在垂直方向处于某一位置时，所述装置将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种“悬浮”或微重力状态，用于模拟太空中零重力或微重力环境。具体地，所述悬浮装置为弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平拉簧、两个连杆、竖直弹簧和竖直光杆，被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与竖直弹簧的上端连接，中间质量块在两侧连杆的作用下沿竖直光杆上下滑动；每个连杆的一端与水平拉簧的一端铰接，每个连杆的另一端与被悬浮物体铰接；每个水平拉簧的所述一端能沿相应端的水平导轨运动，水平拉簧的另一端固定；竖直弹簧的下端固定，两个水平导轨处于同一水平线上；被悬浮物体的质量为m，每个连杆的长度为l，水平拉簧1与竖直弹簧的刚度分别为k1、k2，每个水平拉簧原长时其自由端距竖直光杆的距离为B；初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得被悬浮物体与两个杆件处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，被悬浮物体受力为：当B＝0,k2＝2k1时，有F＝k2δ0-mg从上式看出，调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可以使得或其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；即水平拉簧原长时其自由端距竖直光杆的距离为0，且竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的2倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一微小恒力；质量块在处于–l＜Y＜l时，系统将始终为中间质量块提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。具体地，所述悬浮装置为弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括水平拉簧、两个滚轮、竖直弹簧和两个支架，被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与竖直弹簧的上端连接，在位于被悬浮物体两侧的滚轮的作用下沿竖直方向运动；每个滚轮铰接在对应的一个支架的上端，支架的下端与导轨构成滑动副，两个滚轮的中心由水平拉簧相连，支架能在水平方向沿导轨左右滑动，从而改变两个滚轮之间的距离；被悬浮物体的质量为m，其两端边缘为半径为R的半圆弧，半圆弧圆心距离为L′；每个半径为r的滚轮与相应端的半圆弧无滑动的滚动，竖直弹簧的刚度为k2，水平拉簧刚度为k1、原长为L；初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得中间质量块与滚轮处于同一水平面(中间质量块由两个半圆形板和位于二者之间的矩形板构成，每个半圆形板和矩形板平滑过渡，中间质量块与滚轮处于同一水平面是指中间质量块的中心与两个半圆形板的圆心处于同一水平面上)；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，中间质量块受到的力可表示为：由此式可以看出，当L-L′＝0,k2＝4k1时，有F＝k2δ0-mg调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可使得或其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；即当质量块两侧铰链的距离L′等于水平拉簧的原长L，竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的4倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；由此可见，中间质量块位移处于–(R+r)＜Y＜(R+r)时，系统将始终为质量块提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。具体地，所述悬浮装置为弹簧-六连杆机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆、水平拉簧和竖直弹簧，第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆顺次铰接形成六边形，第六连杆位于第三连杆的上方且二者均水平设置，第三连杆固定设置，被悬浮物体(中间质量块、中间浮子)与第六连杆连接；水平拉簧的一端与第一连杆、第二连杆铰接点铰接，水平拉簧的另一端与第四连杆、第五连杆铰接点铰接；竖直弹簧的上端连接第六连杆，竖直弹簧的下端固定；竖直弹簧在其两侧的第一连杆和第五连杆的作用下竖直运动；其中第一连杆、第二连杆、第四连杆、第五连杆的长度均为a，第三连杆、第六连杆的长度均为L′，水平拉簧刚度为k1，原长为L；竖直弹簧的刚度为k2；初始状态时，压缩竖直弹簧至某一距离δ0，使得第六连杆与第三连杆位于同一水平面；当被悬浮物体向上运动到Y距离时，中间质量块受到的力为：由此式可以看出，当L-L′＝0,k1＝k2时，有F＝k2δ0-mg调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可使得或其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；即当水平拉簧的原长与第三连杆、第六连杆长度相等，竖直弹簧与水平拉簧刚度相等时，被悬浮物体所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或其差值为一微小恒力；当中间质量块位移处于0＜Y＜2a时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法，其特征在于，所述方法是构建一类具有零固有频率满足

【技术特征摘要】
1.一类具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮方法，其特征在于，所述方法是构建一类具有零固有频率满足或的悬浮系统，基于该系统的低频、超低频低至零频的隔振性能，用以实现空间零重力或微重力环境的地面模拟；其中|ε|＞0为一足够小可调常量，为竖直方向加速度；悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的；悬浮系统是通过对结构系统中的几何参数b和c的调节获得的。2.一类基于权利权利要求1所述方法的具有全频段隔振特征的零(微)重力悬浮装置，其特征在于：所述装置包括竖直弹簧、连杆机构以及至少一个水平拉簧，被悬浮物体与竖直弹簧的上端连接，在连杆机构和至少一个水平拉簧的作用下，被悬浮物体沿竖直弹簧在垂直方向运动；利用所述装置几何非线性的负刚度特征与所述装置几何参数的可调性，经几何非线性参数配置实现在所述装置设计范围内使被悬浮物体处于悬浮状态；被悬浮物体在垂直方向处于某一位置时，所述装置将始终为被悬浮物体提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种“悬浮”或微重力状态，用于模拟太空中零重力或微重力环境。3.根据权利要求2所述的具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮装置，其特征在于：所述悬浮装置为弹簧-连杆-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括两个水平拉簧(1)、两个连杆(2)、竖直弹簧(4)和竖直光杆(5)，被悬浮物体(3)与竖直弹簧(4)的上端连接，中间质量块(3)在两侧连杆(2)的作用下沿竖直光杆(5)上下滑动；每个连杆(2)的一端与水平拉簧(1)的一端铰接，每个连杆(2)的另一端与被悬浮物体(3)铰接；每个水平拉簧(1)的所述一端能沿相应端的水平导轨运动，水平拉簧(1)的另一端固定；竖直弹簧(4)的下端固定，两个水平导轨处于同一水平线上；被悬浮物体(3)的质量为m，每个连杆(2)的长度为l，水平拉簧(1)与竖直弹簧(4)的刚度分别为k1、k2，每个水平拉簧(1)原长时其自由端距竖直光杆(5)的距离为B；初始状态时，压缩竖直弹簧(4)至某一距离δ0，使得被悬浮物体(3)与两个杆件(2)处于同一水平面；当中间质量块向上运动到某一距离Y时，被悬浮物体受力为：当B＝0,k2＝2k1时，有F＝k2δ0-mg从上式看出，调节初始状态时竖直弹簧的压缩量δ0，可以使得或其中为竖直方向加速度，|ε|＞0为一足够小常量；即水平拉簧(1)原长时其自由端距竖直光杆(5)的距离为0，且竖直弹簧刚度是水平弹簧刚度的2倍时，中间质量块所受重力与系统所给其提供的支持力恰好互相抵消或为一微小恒力；质量块在处于–l＜Y＜l时，系统将始终为中间质量块(3)提供一支持力，该支持力能抵消或者接近质量块的重力，使得质量块处处受力平衡或接近平衡，呈现出一种悬浮或微重力状态，从而实现模拟太空中零重力或微重力环境。4.根据权利要求2所述的具有零频隔振特征的零(微)重力悬浮装置，其特征在于：所述悬浮装置为弹簧-滚子-导轨机构零重力或微重力悬浮装置，所述悬浮装置包括水平拉簧(2)、两个滚轮(3)、竖直弹簧(4)和两个支架(5)，被悬浮物体(1)与竖直弹簧(4)的上端连接，在位于被悬浮物体(1)两侧的滚轮(3)的作用下沿竖直方向运动；每个滚轮(3)铰接在对应的一个支架(5)的上端，支架(5)的下端与导轨(6)构成滑动副，两个滚轮(3)的中心由水平拉簧(2)相连，支架(5)能在水平方向沿导轨(6)左右滑动，从而改变两个滚轮(3)之间的距离；被悬浮物体(1)的质量为m，其两端边缘为半径为R的半圆弧，半圆弧圆心距离为L′；每个半径为r的滚轮(3)与相应端的半圆弧无滑动的滚动，竖直弹簧(4)的刚度为k2，水平拉簧(2)刚度为k...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹庆杰，朱光楠，张治力，梁廷伟，王保励，王金龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23